自动控水灌溉系统的设计与应用试验

阮三桂，姚帮松，肖卫华，程峰，徐志鹏，张乐，张先国

（1.湖南农业大学工学院，湖南长沙410128；2.湖南农业大学继续教育学院，湖南长沙410128）

自动控水灌溉系统的设计与应用试验

阮三桂1，姚帮松1，肖卫华1，程峰1，徐志鹏2，张乐2，张先国2

（1.湖南农业大学工学院，湖南长沙410128；2.湖南农业大学继续教育学院，湖南长沙410128）

为发展农业节水灌溉，利用根据土壤水分湿度进行灌溉的原理，通过土壤湿度传感器控制电流开关对灌水量进行调节，设计了一套自动控水灌溉系统，应用该控水灌溉系统进行田间试验。结果表明，其能够根据田间土壤湿度进行自动灌溉，实现无人值守式灌溉；与常规灌溉相比，自动控水灌溉系统对水稻全生育期每平方米灌水量减少0.191 6 m3，可增加水稻产量0.170 4 kg/m2。自动控水灌溉由于无水层淹没土壤，增强了土壤的透气性，同时又能保证土壤水分含量，对水稻分蘖期产生有益的促长作用，使水稻分蘖数增加，进而提高产量。自动控水灌溉是根据作物根系对土壤水分需求进行的高精准灌水，是一种较好的节水灌溉方法，对未来发展农业节水灌溉起指导作用。

自动控水；灌溉；耗水量；水稻田

农业用水占全国水资源总供水量的60%以上，其中，灌溉耗水占农业水资源的90%左右[1-3]。农业发展不断向自动和精准控制方向迈进，而灌溉方式还是以传统的漫灌为主[4-7]。目前，虽然已研究出滴灌和喷灌等节水灌溉方式，但这类灌溉方式在我国南方地区的水稻栽培上应用较少。由于水稻是一种耗水量大的作物，喷灌、滴灌供水量有限。此外，水稻根系下扎浅无法吸收深层土壤中的水分。有研究表明，田间20～30 cm深土壤层处于饱和含水状态时水稻根系对水分利用率最高且水分蒸发少，水资源利用效率高[8-10]。我国是一个水资源紧缺的国家，发展节水灌溉是解决农业水资源紧缺的有效方式[11-13]。自动控水对稻田的灌溉方式鲜有报道。

为了达到一种节水控水的灌溉目的，笔者在前人研究基础上设计了一种自动控水灌溉系统，并进行了应用试验研究[14-19]。

1 自动灌溉系统在水稻田中的应用

1.1 自动灌溉系统设计原理

灌溉系统以土壤湿度传感器为核心部件，其可探测土壤中的湿度变化情况，当土壤湿度低于传感器的下限阈值时，传感器传递信号给传感控制开关，开关闭合，水泵电路接通开始向田间供水。当田间水量达到土壤湿度传感器的上限阈值时，传感器传递信号给传感控制开关，开关断开，水泵电路切断停止向田间供水。通过传感器控制达到一种自动控水灌溉方式（图1）。

1.2 试验设计

试验于2015年在湖南农业大学土肥资源高效利用国家试验室中心试验站进行，采用6块面积为25 m2的试验田进行试验，其中，3块稻田应用自动控水灌溉系统进行无人管理式自动灌水；另外3块稻田实行人工灌水作为对照，人工灌水方式以田间无可见水层时开始灌水，田间出现持水层时停止灌水，采用管道输水方式进行灌溉。2块田在透光大棚中进行，减少因降雨对试验结果的干扰。试验大棚四周有通风设施，增强大棚的空气流动，保持水稻生长过程中空气和温度环境与外面大田相同。试验于6月15日移栽水稻，10月20日收割，移栽前2块大田含水量相同。水稻的日常管理参照当地大田栽种方式。试验过程中每根输水管装一个电磁流量计，用于统计每次灌水量。

1.3 测定项目及方法

水稻成熟后，对2块水稻田进行收割测定产量。平均每株穗数、平均每穗实粒数、千粒质量是在每块稻田中按S型取样法选取5株水稻进行统计分析；小区产量是将2种灌溉方式下水稻全部收割后称量谷粒的总质量，并计算小区的平均产量；质量的测定均是在自然风干后称量，单位面积谷粒质量是通过换算得出。

1.4 数据分析

对自动控水灌溉和常规灌溉所测得3块大田数据取其平均值，采用Excel软件进行数据表格记录，并用SPSS软件进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1 2种灌溉方式下水稻耗水量

对水稻整个生长发育过程进行观察记录，水稻移栽后12 d后开始出现分蘖；分蘖生长35 d后开始拔节孕穗；拔节孕穗20 d后开始灌浆结实；灌浆结实20 d后谷粒充实；再经过15 d谷粒蜡黄成熟。水稻从播种到移栽至大田育苗阶段其灌溉水量小，因此，该阶段不进行灌水量统计。水稻各阶段的灌水量等同于水稻的耗水量，包括渗漏损失、蒸发损失、蒸腾作用耗水和生长过程中各组织体生化反应生理需水。

由图2可知，水稻生长过程中拔节孕穗期耗水量最大，因为这一阶段水稻已发育完成，叶片数量达到最大，叶片的蒸腾量大，而且孕穗阶段需要消耗大量的水分合成各种有机物；除了幼苗期2种灌溉方式的灌水量差异较小外，其他生长阶段均为常规灌溉耗水量大于自动灌溉耗水量。水稻生长幼苗阶段生育期短、叶片生物量小、耗水量少，田间水分损失以棵间蒸发为主，2种灌溉方式下土壤湿度变化小，所以灌水量基本相同；水稻开始分蘖发育需水量增大，2种灌溉方式灌水量不同。水稻不同生长时期自动控水灌溉比常规灌溉灌水减少量分别为：拔节孕穗生长期20 d灌水量减少2.25 m3；灌浆结实生长期20 d灌水量减少1.33 m3；分蘖期35 d灌水量减少0.64 m3；蜡黄乳熟期15 d灌水量减少0.43 m3。拔节孕穗期水稻水分消耗高，根系对土壤水分敏感，土壤水分向根系渗流，自动灌溉频率高，节水效果明显。自动控水灌溉是根据土壤水分湿度供水，提高了水分利用效率，减少了蒸发和渗漏损失。

通过对水稻生长的各阶段耗水量进行累加分析，水稻全生育期常规灌溉灌水量为40.51 m3，自动控水灌溉灌水量为35.72 m3。常规灌溉与自动控水灌溉单位面积灌水量（灌水量与大田面积的比值可以计算出大田单位面积灌水量）分别为1.620 4，1.428 8 m3/m2。每平方米单位面积的大田中运用自动控水灌溉系统可节约灌水量0.191 6 m3。

2.2 2种灌溉方式下水稻产量

表1为2种灌溉方式下水稻的产量比较。通过差异性比较，水稻平均每株穗数、总谷粒质量和单位面积谷粒质量，2种灌溉方式差异极显著，平均每穗实粒数差异显著。差异性比较中，均为自动灌溉大于常规灌溉。水稻的穗数是由水稻茎分蘖而来，自动灌溉平均每株穗数为36.41穗，高于常规灌溉4.68穗，说明自动灌溉能提高水稻分蘖数。秦华东等[20]研究发现，干湿交替灌溉在产量等方面优于水层淹灌。本研究中，自动控水灌溉是保持土壤常湿润但不被水层淹灌，而常规灌溉是薄水层淹灌。前人研究中，水稻分蘖与土壤中氧气含量相关性很高，干湿交替灌溉，使得水稻根系露出土层，有利于根系呼吸作用和增加分蘖数。水稻分蘖是沿着主茎上的每一个节点逐渐由下向上分蘖，分蘖后的茎可以再进行分蘖，当水稻处于淹水灌溉条件下，水稻分蘖数减少。自动控水灌溉，田间无持水层，水稻根系在土壤表层处露白，增强呼吸作用，没有淹水层的抑制，水稻分蘖数增加。

自动灌溉的平均每穗粒数为150.29粒，高于常规灌溉6.55粒，稻穗实粒数与水稻生长阶段茎的粗壮程度相关，分蘖茎粗壮则稻穗结实粒数多。自动控水灌溉可以促进水稻早生分蘖，使分蘖期延长，分蘖茎粗壮，因此，自动控水灌溉水稻的平均每穗实粒数要高于常规灌溉。2种灌溉方式下水稻的平均千粒质量差异不显著，说明千粒质量不受灌溉方式的影响。水稻千粒质量是反映谷粒的大小和谷粒饱满程度，谷粒大小一般只与水稻品种相关，栽培方式及环境条件对其影响较小。谷粒饱满程度与水稻灌浆期相关度很高，当灌浆期水稻受旱时，谷粒饱满度减小。自动灌溉与常规灌溉均没有使水稻受旱，因此，2种灌溉方式谷粒千粒质量之间无显著差异。

小区产量是反映整块田的产量特征，自动灌溉水稻小区产量为23.53 kg，比常规灌溉高4.26 kg，且二者间差异极显著。小区产量与大田中的每株穗数、每穗实粒数和千粒质量呈正相关。自动灌溉水稻的平均每株穗数和平均每穗实粒数均高于常规灌溉，千粒质量差别不大，所以自动灌溉使水稻小区产量增加。

单位面积谷粒质量是反映水稻单位面积产量的一项指标，能比较客观地说明水稻产量的增减情况。相同种植面积的大田中自动灌溉小区产量大于常规灌溉，因此，其单位面积谷粒质量也大于常规灌溉，差异极显著。

表1 2种灌溉方式下水稻田的产量比较

3 结论

本试验通过利用土壤湿度传感器能够控制电流开关的原理设计出一种自动控水灌溉系统。运用该自动灌溉系统在大田进行试验并与常规灌溉进行对比，结果表明，自动灌溉除对水稻生长幼苗期节水作用不明显外，对其余各生长阶段均能减少灌水量。其中，水稻拔节孕穗期和灌浆结实期节水效果最明显。水稻整个生育期自动灌溉比常规灌溉每平米灌水量减少0.191 6 m3。

本试验结果还表明，通过2种灌溉方式的产量比较，水稻产量构成因素中的平均每株穗数、平均每穗实粒数、小区产量均存在显著或极显著差异，而水稻千粒质量无显著差异。自动灌溉比常规灌溉对水稻的单位面积产量增加量为0.170 4 kg/m2，其中主要因素是自动控水灌溉可显著提高水稻分蘖能力，使水稻穗数和每穗结实数增加，进而对谷粒产量产生影响。

自动控水灌溉是一种较好的灌溉方式，不仅能减少灌溉用水量，还能提高水稻产量。目前，高精度的土壤水分湿度传感器价格太高，推广应用难度大，还需进一步对土壤湿度传感器进行改进，提高精度，降低成本，使其能产生合理的经济效益，将来可推广应用于大田生产。

［1］薛菁芳，陈书强.不同控水时期和控水强度对水稻籽粒灌浆特性影响[J].华北农学报，2015，30（S1）：112-119.

［2］张耗，剧成欣，陈婷婷，等.节水灌溉对节水抗旱水稻品种产量的影响及生理基础[J].中国水稻科学，2012，45（23）：4782-4793.

［3］李波，郭向红.山西省果园节水灌溉现状、对策与建议[J].山西农业科学，2014，42（9）：1037-1039.

［4］雷波.农业水效源效用评价研究[D].北京：中国农业科学院，2010.

［5］王劲松，焦晓燕，董二伟，等.不同灌溉时期和施氮量对高粱水分利用及产量的影响[J].山西农业科学，2016，44（6）：777-783.

［6］冯保清.我国不同尺度灌溉用水效率评价与管理研究[D].北京：中国水利水电科学研究院，2013.

［7］冯瑞云，崔福柱，赵明拴，等.玉米不同局部灌溉技术的节水机理研究[J].山西农业科学，2007，35（8）：62-64.

［8］郭建文，刘海.不同灌溉制度对玉米生长过程中水分利用的影响[J].山西农业科学，2014，42（4）：346-348.

［9］王秋菊，李明贤，赵宏亮，等.控水灌溉对水稻根系生长影响的试验研究[J].中国农学通报，2008，24（8）：206-208.

［10］王抄抄，孔雷蕾，李妹娟，等.分蘖期控水处理对超级稻产量和生理特性的影响[J].华北农学报，2015，30（5）：146-152.

［11］雷舜，王抄抄，黄炎，等.分蘖期控制灌溉对土温及水稻干物质积累等的影响[J].华北农学报，2016，31（2）：153-158.

［12］傅丰贝.不同控水时段根区局部灌溉对玉米生理和水分利用效率的影响[J].植物营养与肥料学报，2014（6）：1378-1386.

［13］魏镇华，陈庚，徐淑君，等.交替控水条件下微润灌溉对番茄耗水和产量的影响[J].灌溉排水学报，2014，33（4）：139-143.

［14］陈伟.水稻水分生产函数及水氮耦合模型试验研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2013.

［15］董延英.水稻田节水自动控水系统应用试验[J].现代化农业，2015（11）：30-31.

［16］刘翠红.水稻盆栽试验水分消耗检测系统研制及其试验研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2012.

［17］程旺大.水稻节水高效栽培的生理生态效应及对产量与品质的影响[D].杭州：浙江大学，2001.

［18］陈志刚，刘龙梅，陈蕾，等.水分调控对水稻根际土壤反硝化作用的影响[J].水土保持研究，2015，22（5）：133-137.

［19］迟道才，佟延旭.多生育期不同水分胁迫耦合对水稻产量及水分生产率的影响[J].沈阳农业大学学报，2016，47（1）：71-77.

［20］秦华东，江立庚，肖巧珍，等.水分管理对免耕抛秧水稻根系生长及产量的影响[J].中国水稻科学，2013，27（2）：209-212.

Study on Design and Application Test of Automatic Water Control Irrigation System

RUANSangui1，YAOBangsong1，XIAOWeihua1，CHENGFeng1，XUZhipeng2，ZHANGLe2，ZHANGXianguo2
（1.College ofEngineering，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2.College ofContinuingEducation，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

For the development of agricultural water-saving irrigation,the irrigation according to the principle of soil moisture and humidity,the soil moisture sensor tocontrol the current switch toirrigation quantityadjustment,design a set ofautomatic control irrigation system,the application of the field experiments were carried out to control irrigation system.The results showed that using this system of water conservation to experiment in field which could do automatic irrigation,thus the unmanned to admit.By the study of experiment to compare the two irrigation methods,automatic control irrigation could reduce water amount 0.191 6 m3/m2than the normal irrigation,and increase yield ofrice 0.170 4 kg/m2.Automatic irrigation had no flood layer in the soil to enhance air permeability and meanwhile ensure the soil moisture content that improved the tilling of rice.Automatic water control irrigation is a kind of good water saving irrigation method,which plays a guidingrole for the development ofagricultural water savingirrigation in the future.

automatic control ofwater;irrigation;water consumption;rice field

S274.2

A

1002-2481（2016）12-1864-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.12.31

2016-08-02

国家自然科学基金项目（31272248）；国家国际科技合作项目（2013DFG91190）

阮三桂（1991-），女，湖南邵阳人，在读硕士，研究方向：水资源与节水灌溉新技术。姚帮松为通信作者。